纳米材料因其独特性能受到广泛关注。在纳米水处理领域，纳米材料的直接使用往往面临易聚集、易流失、安全风险等瓶颈。将纳米材料负载于毫米级多孔载体中制备复合型纳米材料是克服上述问题的有效策略，其中，由于复合材料中纳米颗粒所处空间的限域特性，其对污染物的去除性能与机制相比开放体系往往表现出显著不同，即纳米限域效应。
潘丙才教授课题组长期从事环境纳米技术原理及应用方面的研究。近期，课题组系统总结分析了纳米限域效应对水处理技术发展的潜在推动作用（Nanoconfinement-Mediated Water Treatment: From Fundamental to Application. Environ. Sci. Technol. 2020, 54, 8509）。针对可能导致水体富营养化的磷的深度净化问题，课题组先后开发了系列以交联聚苯乙烯网孔限域为基材的复合纳米材料及其应用技术。2016年报道的镧系纳米复合材料La@201展现出优异的深度除磷和再生性能（Environ. Sci. Technol. 2016, 50, 1447）。2018年，课题组发展了基于该材料的深度除磷技术，并在全球水处理技术挑战赛George Barley Water Prize中脱颖而出。2019年，该材料被应用于香港地表水深度除磷中试项目，可将水中总磷降至富营养化限值(20 μg/L)以下。虽然镧系复合材料在深度除磷领域有很好的发展前景，但该材料长期应用过程中的净污性能与纳米限域效应仍不够清晰，阐明上述问题将为进一步提升与完善镧系纳米复合材料的深度水处理应用提供理论指导。
基于此，课题组合成了分散型和负载型纳米氢氧化镧，通过对比开放体系和限域体系下氢氧化镧（La(OH)3）纳米颗粒在模拟和真实含磷污水中长期吸附磷酸盐的过程机制，探讨了La-P结构的时空演化规律。研究发现，相比开放体系，限域环境显著提升了La(OH)3纳米颗粒的深度除磷效率和稳定性。在历时25天的La-P反应过程中，La-P结构由初期的内配位化合物逐渐向LaPO4·xH2O转变，并最终演化为LaPO4晶体。无论是在模拟污水中还是在真实污水中，限域体系下La-P结构的演化速率和程度均显著高于非限域体系。同时，限域体系还有利于La-P结构在P脱附过程中由LaPO4晶体向La(OH)3的逆向转化。作者推测，纳米限域体系提供的独特微环境可从热力学和动力学两个方面影响晶体转化和逆转化。该工作揭示了纳米限域效应在镧系复合纳米材料深度除磷和再生过程中的作用。
研究成果以“Structural Evolution of Lanthanum Hydroxides during Long-term Phosphate Mitigation: Effect of Nanoconfinement”为题，于2020年12月12日于Environmental Science & Technology在线发表（DOI：http://dx.doi.org/10.1021/acs.est.0c05577）。论文第一作者为课题组助理研究员张延扬博士，通讯作者为南京大学环境纳米技术研究中心客座研究员、南京理工大学钱杰书教授，课题组PI潘丙才教授为共同作者。本研究得到了国家杰出青年基金、国家重点研发计划纳米科技专项的资助。
图 1.开放体系与限域体系下La(OH)3纳米颗粒除磷演变过程示意图